仿生超疏水材料的介紹

仿生超疏水材料的介紹IntroductionofbiomimeticsuperhydrophobicmaterialsDirectory簡(jiǎn)介01020304評(píng)價(jià)指標(biāo)05制備方法應(yīng)用前景存在的問(wèn)題

第一部分

簡(jiǎn)介PART0101荷葉的自清潔效應(yīng)04超疏水材料的概念0102荷葉效應(yīng)形成的原因03自然界常見的超疏水現(xiàn)象1.1荷葉的自清潔效應(yīng)“予獨(dú)愛(ài)蓮之出淤泥而不染，濯青蓮而不妖......”,北宋理學(xué)家周敦頤在《愛(ài)蓮說(shuō)》這樣表達(dá)了對(duì)蓮花品性的熱愛(ài)。蓮花為什么會(huì)有出淤泥而不染的品性呢？

1977年，德國(guó)伯恩大學(xué)的Barthlott和Neinhuis通過(guò)掃描電鏡研究了荷葉的表面結(jié)構(gòu)形態(tài)（如圖1所示）。揭示了荷葉表面的微米乳突結(jié)構(gòu)以及蠟物質(zhì)是其擁有自清潔功能的關(guān)鍵。研究表明，荷葉表面分布著大量微米級(jí)的蠟質(zhì)微乳突結(jié)構(gòu)(圖a)；每一個(gè)乳突上又分布著大量納米級(jí)的細(xì)枝狀結(jié)構(gòu)(圖b)；而且荷葉的表皮上存在許多的蠟質(zhì)三維細(xì)管(圖c)，這樣的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，致使水滴與荷葉表面具有很低的接觸面積。水滴在荷葉表面幾乎呈現(xiàn)球形，并且可以在所有方向上自由滾動(dòng)，同時(shí)帶走荷葉表面的灰塵，表現(xiàn)出很好的自清潔效應(yīng)(圖d)。1.2“荷葉效應(yīng)”形成的原因因此，在山包間的凹陷部分充滿著空氣，這就在緊貼著特面上形成一層極薄、只有納米級(jí)厚的空氣層。這就使得尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水降落在葉面上后，隔著一層極薄的空氣，只能同葉面上的“山包”的凸頂形成幾個(gè)點(diǎn)的接觸。由于空氣層、“山包”狀突起和蠟質(zhì)層的共同托起作用，使得水滴不能滲透，而自由滾動(dòng)、雨點(diǎn)在自身表面張力作用下形成球狀，水球在滾動(dòng)過(guò)程中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是“荷葉效應(yīng)”的原理。a.蝴蝶的翅膀b.水黽的腿c.玫瑰花瓣d.水稻葉片e.荷葉1.3自然界常見的超疏水現(xiàn)象acdbe1.4超疏水材料的概念

超疏水材料是一種對(duì)水具有排斥性的材料,水滴在其表面無(wú)法滑動(dòng)鋪展而保持球型滾動(dòng)狀，從而達(dá)到滾動(dòng)自清潔的效果。潤(rùn)濕性是固體材料表面的重要性質(zhì)之一，決定材料表面潤(rùn)濕性能的關(guān)鍵因素包括材料表面的化學(xué)組成和表面的微觀幾何結(jié)構(gòu)。人們對(duì)超疏水表面的認(rèn)識(shí)，主要來(lái)自植物葉——荷葉表面的“自清潔”現(xiàn)象?？茖W(xué)家將這樣的自清潔現(xiàn)象稱之為“荷葉效應(yīng)”。1.5制備超疏水表面的途徑

超疏水材料須具備較低的表面能和微納米尺度的粗糙度。制備超疏水表面有兩種主要途徑：一是在具有微納米粗糙結(jié)構(gòu)的固體表面修飾低表面能物質(zhì)；

二是在低表面能的表面構(gòu)建一定程度的粗糙度。

決定固體表面親疏液性的關(guān)鍵在于材料表面的化學(xué)組成，而表面的粗糙程度只是增強(qiáng)了這一效果。所以在構(gòu)建超疏水固體表面時(shí)，一般是在低表面能表面上構(gòu)建粗糙表面或者在粗糙表面上修飾低表面能的物質(zhì)。而人們首先從制備低表面能的物質(zhì)開始研究，發(fā)現(xiàn)目前表面能最低的固體材料為硅氧烷和含氟材料。

第二部分

疏水性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)PART0101接觸角02滾動(dòng)角022.1.1

接觸角

接觸角(contactangle)是反映木材疏水的主要因素，接觸角越大，說(shuō)明材料的疏水性能越好。接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過(guò)液體與固-液交界線之間的夾角θ，是潤(rùn)濕程度的量度。液體在固體表面的接觸角，一般是固、液、氣3相之間表面張力平衡的結(jié)果，這種平衡使整個(gè)體系的總能量趨于最小，從而使液滴在固體表面呈穩(wěn)定狀態(tài)。2.1超疏水材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)

從固體表面接觸角來(lái)看，決定固體表面親疏水性的關(guān)鍵在于材料表面的化學(xué)組成，而表面的粗糙程度只是增強(qiáng)了這一效果。所以在構(gòu)件超疏水固體表面時(shí)，一般是在低表面能表面上構(gòu)件粗糙表面或在粗糙表面上修飾地表面能的物質(zhì)。

表面粗糙度：Young方程式、Wenzel理論和Cassie理論影響因素表面自由能：化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成1.5.1

Young方程式

1805年，Young通過(guò)對(duì)物質(zhì)表面親水、疏水性的深入研究，揭示了接觸角可以通過(guò)平面固體表面上的液滴在三個(gè)界面的張力下的平衡關(guān)系進(jìn)行衡量，提出了著名的Young方程式：

cosθ=(γsv-γsl)/γlv式中γsv、γsl和γsl分別是固-氣、固-液和液-氣界面之間的表面張力（N/m），θ是固體表面的本征接觸角（°）。

Young方程式是一個(gè)理想化的模型，只適用于理想固體表面，理想固體表面是指固體表面組成均勻、平滑、不變形和各向同性，在實(shí)際應(yīng)用中這種表面幾乎是不存在的。對(duì)于具有一定粗糙度的固體表面而言，表面的疏水性能是表面化學(xué)組成和粗糙度共同組成。因此，其表觀接觸角和本征接觸角存在一定的差值，認(rèn)為在粗糙表面，固液實(shí)際接觸面積大于表觀接觸面積，并假定液滴完全進(jìn)入到表面結(jié)構(gòu)的空腔中，所以必須考慮粗糙度對(duì)疏水性能的影響。1.5.2

Wenzel理論

對(duì)于實(shí)際表面來(lái)講，必須考慮表面粗糙度對(duì)固體表面潤(rùn)濕性的影響。1936年，Wenzel針對(duì)Young方程式存在的問(wèn)題進(jìn)一步研究，假設(shè)液滴可以完全充填粗糙表面的凹槽中。由于表面張力的存在，固液的實(shí)際接觸面積要大于理想平面的固液面積，從而導(dǎo)致粗糙表面的接觸角和理想表面的接觸角有所不同。因此，Wenzel對(duì)Young方程式進(jìn)行了修正，當(dāng)體系達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，得到滿足表觀接觸角的Wenzel方程：式中θw為表觀接觸角，θ本征接觸角，γ為粗糙因子，表示粗糙表面實(shí)際的固液面積與表觀的接觸面積之比。值得注意的是Wenzel方程只適用于化學(xué)組成和粗糙度均一的表面。1.5.3

Cassie理論

1944年Cassie和Baxter在Wenzel模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)Young方程式進(jìn)行了拓展和修改，提出了可以將粗糙的固體表面設(shè)想為固-氣的復(fù)合表面，認(rèn)為如果液滴在粗糙表面不能滲入到粗糙結(jié)構(gòu)中，空氣就會(huì)被滯留在表面的凹槽中，形成“空氣墊”，液滴就停留在固體和氣體組成的符合表面上，這種假設(shè)更接近真實(shí)狀態(tài)。當(dāng)固體表面的粗糙不均勻表現(xiàn)為宏觀起伏到一定程度時(shí)，空氣就容易被潤(rùn)濕的液體截留在固體表面的凹谷部分。因此，液滴與符合表面的接觸就包括兩個(gè)部分，一是液滴與粗糙表面的接觸，二是液滴與空氣的接觸，建立了Cassie模型。

在此模型中，假設(shè)f1是液滴與固體表面的接觸面積占復(fù)合表面的分?jǐn)?shù)；f2為液滴與空氣的接觸面積占復(fù)合表面的分?jǐn)?shù)，液滴與空氣的接觸角為180°，則表觀接觸角滿足Cassie方程：cosθ=f1cosθ1+f2cosθ2=f1cosθ1-f2如果f1為0，則f2為1，cosθ為-1，θ為180°。此時(shí)，此時(shí)液滴在此表面上將呈現(xiàn)球形，表現(xiàn)出完美的超疏水性。即如果表面的粗糙結(jié)構(gòu)可以捕獲更多的空氣，就可以增加表面的疏水性能，從而獲得所需的超疏水表面。相對(duì)于Wenzel模型來(lái)說(shuō)，Cassie模型的優(yōu)勢(shì)之處在于相對(duì)更真實(shí)反映了實(shí)際液滴與固體表面的接觸情況。但是對(duì)于任意粗糙的表面來(lái)說(shuō)，需要準(zhǔn)確確定和測(cè)量Cassie模型中的f1和f2的數(shù)值卻十分困難。1.5.4Wenzel和Cassie共存模型

Wenzel模型和Cassie模型都是超疏水狀態(tài)的一種形式，目前已有報(bào)道當(dāng)液滴受到物理擠壓時(shí)，固液接觸就會(huì)發(fā)生從Cassie模型向Wenzel模型。這就表明除了這兩種模型共存之外，在超疏水界面中還有一種過(guò)渡態(tài)的發(fā)生。2.1.2

滾動(dòng)角及接觸角滯后

接觸角和滾動(dòng)角，是作為評(píng)價(jià)固體表面潤(rùn)濕性的另一個(gè)參數(shù)，滾動(dòng)角指的是一定量（體積或是質(zhì)量）的液滴在平面上逐漸傾斜而產(chǎn)生滾動(dòng)的傾斜角，滾動(dòng)角越小，固體表現(xiàn)出來(lái)的疏水性越好。

當(dāng)固體表面傾斜到液滴即將滾動(dòng)而未滾動(dòng)時(shí)，此時(shí)液滴的兩端的接觸角，大的成為前進(jìn)接觸角（AdvancingContactAngle,θa),小的成為后退接觸角（RecedingContactAngle,θr),二者之差成為接觸角滯后（ContactAngleHysteresis,CAH=θa-θr)。前進(jìn)角和后退角之間存在差異，通常情況下下前進(jìn)角大于后退角，也就是θa＞θr。如果θa和θr相差越大，液滴越不容易從固體表面脫落，θa和θr相差越小，液滴越容易從固體表面脫離。

目前，通常用液體在材料表面的接觸角和滾動(dòng)角來(lái)表征材料表面的疏水性。按照水滴在材料表面接觸角大小的不同，我們可以將材料進(jìn)行如下分類:當(dāng)接觸角小于90°時(shí)，我們認(rèn)為在這種材料是親水材料，說(shuō)明液體能潤(rùn)濕固體；當(dāng)材料表面接觸角大于90°時(shí)，我們認(rèn)為這種材料是疏水材料，說(shuō)明液體不能潤(rùn)濕固體；如果材料的表面接觸角大于150°，滾動(dòng)接觸角小于10°，那么我們認(rèn)為這種材料是超疏水材料。

第三部分

超疏水材料的制備方法PART0301噴涂法02溶膠-凝膠法0303模板法04······01噴涂法03模板法02溶膠-凝膠法04化學(xué)氣相沉積法05層層自組裝法06水熱法07等離子體處理法08······

涂覆法是一種在基材表面簡(jiǎn)單的涂刷、噴涂、滴涂的方法，可適用于不同的基底材料。此方法具有工藝簡(jiǎn)單，涂覆效率高、成本低廉的特點(diǎn)。3.1噴涂法3.2溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法(Sol-Gel法)是以無(wú)機(jī)物或金屬醇鹽作前驅(qū)體，在液相將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化，膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動(dòng)性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過(guò)干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)材料的方法TEOS:正硅酸乙酯NH4OH:氫氧化銨EtOH:乙醇HDTMS:十六烷基三乙氧基PDMS:聚二甲基硅烷

模板法也稱復(fù)制模板法，自20世紀(jì)90年代提出以來(lái)已得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，復(fù)制模塑技術(shù)深入到超疏水表面的制備研究中，尤其是在仿生超疏水表面的復(fù)制中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。3.3模板法

第四部分

超疏水材料的應(yīng)用PART0401點(diǎn)擊添加相關(guān)標(biāo)題文字02點(diǎn)擊添加相關(guān)標(biāo)題文字0403點(diǎn)擊添加相關(guān)標(biāo)題文字04點(diǎn)擊添加相關(guān)標(biāo)題文字圖4-1

疏水材料的應(yīng)用4.1

在建筑防污染耐水領(lǐng)域的應(yīng)用

建筑物表面的污染主要是由于空氣中微小顆粒的粘附和雨、雪等的覆蓋污染。超疏水材料因其獨(dú)特的疏水性，在建筑物內(nèi)外墻、玻璃及金屬框架等的防水、防雪和耐沾污等方面均有廣泛的應(yīng)用前景，可大大降低建筑物的清潔及維護(hù)成本，使得建筑物能長(zhǎng)久保持亮麗的外觀。4.2

在船舶提高浮力方面的應(yīng)用

據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察不論是在水面的滑行、跳躍還是快速掠過(guò)水黽都既不會(huì)滑破水面更不會(huì)浸濕腿部。因而也就被美譽(yù)為“池塘中的溜冰者”根據(jù)這一現(xiàn)象科學(xué)家經(jīng)過(guò)論證得出水水黽特殊腿部微納米結(jié)構(gòu)和水面間形成的“空氣墊”阻礙了水黽的浸潤(rùn),讓它們實(shí)現(xiàn)了自然界版的“水上漂”。據(jù)了解利用新型超疏水材料制成的超級(jí)浮力材料可以使船表面具有超疏水性并因此在其表面形成具體版的“空氣墊”改變船與水的接觸狀態(tài)防止船體表面被水浸濕進(jìn)而使其在水中運(yùn)行的阻力更小提高速度,節(jié)省了能源。研究人員表明交通工具的“水上飛”河以有效地提高交通工具的速度節(jié)省一定的能源肩可能也會(huì)順勢(shì)引起交通、能源領(lǐng)域的一次革新。4.3

在管道運(yùn)輸方面的應(yīng)用

天然氣的管道運(yùn)輸因其傳輸距離遠(yuǎn),線路可控設(shè)備投入較簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為陸上天然氣資源的主要輸送方式,但由于天然氣中往往含有硫化氫、二氧化碳和水等腐蝕性物質(zhì)因而管道容易發(fā)生均勻腐蝕、坑蝕、電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕等現(xiàn)象。由于管道內(nèi)壁表面粗糙等原因天然氣的傳輸效率也較低。針對(duì)上述問(wèn)題許多學(xué)者在這方面做了很多工作，例如在鋁及其合金表面上制備超疏水薄膜使其防腐能力明顯提高碳納米管粘接在基材鋁板表面以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)表面,然后用聚四氟乙烯修飾該復(fù)合表面上以形成一層超疏水PTFE膜。在國(guó)外許多鋁、鐵、碳鋼等金屬以及合金表面都會(huì)用超疏水膜來(lái)修飾,以提高其防腐蝕性。該方法可有效地運(yùn)用在如管道氣體、液體運(yùn)輸減阻等多方面對(duì)降低運(yùn)輸能耗提高輸送效率有很大幫助未來(lái)有較大的開發(fā)應(yīng)用空間。

除了上述應(yīng)用之外，超疏水材料還可以用于油水分離、電池和燃料電池的應(yīng)用、日用品包裝、生物醫(yī)學(xué)、電子設(shè)備的防潮涂層等領(lǐng)域。

第五部分

存在的問(wèn)題PART0